Motores térmicos.Circuitos frigoríficos.6

Unidad

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1

B-Motor térmico- Máquina frigorífica

Una máquina térmica es un dispositivo que trabaja de forma cíclica o continua para producir W mientras se le da y cede calor, aprovechando las expansiones de un gas que sufre transformaciones de p, v y Tª.

Trabaja entre dos focos de calor, Qc, del que extraemos calor, y Qf que recibe calor. El W=Qc-Qf. (motor térmico).

Si consume W, es una máquina frigorífica.

fc

cTermico

QQWQW

−=

=η

6.1

fc

foFrigorific

QQWWQ

−=

=ε

2

C- Ciclo de Carnot

El ingeniero francés Nicolas L. Sadi Carnotfue el primero que abordó el problema del η de un motor térmico, prescindiendo de su funcionamiento, llegando a la expresión:

El motor térmico tendrá mejor η cuando el tubo que representa (Qc-Qf) sea lo más ancho posible y el tubo que representa el calor que cede por el escape Qf sea lo más estrecho.

η = (Qc – Qf)/Qc = 1 – Qf/Qc

Motor térmico

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3

Suponemos un gas ideal y el motor funciona entre dos focos de calor, el caliente a Tc y el frío a Tf.

El ciclo se realiza en 4 tiempos mostrados en el diagrama p-V de la fig.

•T1: Expansión isotérmica de M1 a M2 a la temperatura Tc=T1=T2 (ºK). El W exterior realizado será el área:

W1 = Qc = nRTc lnV2/V1

•T2: Expansión adiabática hasta la siguiente isoterma Tf=T3=T4, no hay intercambio de Q con el exterior y la ecuación de estado es:

T2/T3 = (V3/V2)γ-1 o Tc/Tf = (V3/V2)

γ-1

4

•T3: Compresión isoterma a Tf cediendo al foco frío una cantidad de Qf, con un consumo de W exterior:

W2 = Qf =nRTf ln V3/V4

•T4: Compresión adiabática de T4=Tf aT1=Tc finalizando el ciclo. La ecuación de estado es:

T1/T4 = (V4/V1)γ-1 o Tc/Tf = (V4/V1)

γ-1

Comparando T2 y T4 se puede establecer la relación de volúmenes:

Tc/Tf = (V3/V2)γ-1= (V4/V1)

γ-1→ V3/V2 = V4/V1→ V3/V4 = V2/V1

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Sustituyendo en la ecuación del rendimiento:

El η del ciclo de Carnot depende únicamente de las temperaturas del foco frío (Tf) y del caliente (Tc).

Para que tenga validez general, cualquier motor térmico que tenga un ciclo reversible entre los mismos focos de calor, tiene el mismo η.

η = 1 – (Qf/Qc) = 1 – (nRTf ln V3/V4)/(nRTc lnV2/V1) = 1 - Tf/Tc

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Suponiendo entre dos focos (Tc>Tf) un motor de Carnot (C) y otra máquina reversible (X). La máquina C intercambia calores Qc y Qf, y la otra X, qc y qf; hacemos que Qc=qc.

Como el ciclo de Carnot es reversible, ahora funciona como frigorífico, la máquina C cede calor Qc al foco caliente y la máquina X absorbe calor qc =Qc del foco caliente; es como si el foco caliente no interviene en el proceso y directamente la máquina X absorbe el calor de la máquina de C.

El W neto no puede ser positivo w-W≤0 →w≤W

Para producir W hacen falta dos focos de calor, Qc y Qf ,o lo que es lo mismo: el calor va del foco caliente al foco frío (excepto si es un frigorífico)

7

Al ser Qc = qc, resulta:

w ≤ W → w/qc = W/Qc→ (qc – qf)/qc = (Qc – Qf)/Qc →

1 – qf /qc ≤ 1 - Qf/Qc

El rendimiento de la otra máquina no puede ser superior a la de Carnot.

El signo = máquina reversible.

El signo < máquina irreversible.

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Clasificación de los motores térmicos

1. En función de donde se produce la combustión:

a) Combustión externa: el calor se transmite a un fluido intermedio (vapor) y éste produce la energía mecánica en una máquina alternativa o rotativa. (máquina y turbina de vapor).

b) Combustión interna: el calor se produce en la cámara interna del motor y, son los gases, los que producen la energía mecánica. (motor explosión y diesel, turbina de gas, turbohélice, etc.)

6.2

Un motor térmico tiene como misión transformar energía térmica en energía mecánica que sea directamente utilizablepara producir trabajo.

9

2. En función de cómo se obtiene la energía mecánica:

a) Motores alternativos: el fluido actúa sobre pistones alternativos.b) Motores rotativos: el fluido actúa sobre pistones rotantes o

turbinas.c) Motores de chorro: el fluido produce el empuje por el principio de

acción y reacción.

a) b) c)

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A – Motor alternativo de combustión externa

Funcionamiento máq. de vapor:

•El cilindro se mueve de forma alternativa por el vapor de la caldera, transformando el movimiento lineal en rotativo por la biela-manivela.

•El distribuidor, unido al volante, y de sentido opuesto al émbolo, permite que el vapor entre o salga del cilindro y produciéndose el movimiento alternativo continuo.

6.3

Maquina vapor

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B – Motor rotativo de combustión externa

Funcionamiento turbina:

•Está formada por un rodete donde se insertan los álabes(paletas).

•El vapor pasa por unas toberas, pierde presión y gana velocidad.

•El vapor choca con el álabe y debido a su forma, se produce el giro del mismo.

Turbina

Perfil de álabe

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C – Ciclo del motor de combustión externa

•El líquido sale de la bomba (5), se precalienta a presión cte en la caldera hasta la saturación (1).

•Se calienta en la caldera hasta vapor saturado (2).

•Cede el calor al motor (adiabática) (3) a menor presión (condensador).

•Aquí, el vapor húmedo condensa hasta la saturación (4).

•Se comprime de pa hasta pb, con un ligero aumento de Tª (T5-T4). Por eso, el η es:

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A – Motor rotativo. Turbina de gas

Elementos:

•Compresor, pueden ser axial o radial, comprimen el aire convirtiendo la Ec del aire en E de presión.

•Cámara de combustión, se inyecta combustible y se lanza el aire caliente a las toberas donde obtenemos Ec.

•Turbina, el “gas” con su Ec se lanza contra los álabes y se convierte en E mecánica que mueve el compresor y alternador.

6.4

14

B – Ciclo termodinámico Turbina de gas

Se llama ciclo de Brayton o Joule:• 1-2: entra aire a p1 y T1

ambiente, se comprime adiabaticamente a p2 y T2.

• 2-3: p=cte, el aire eleva la T3al quemar el combustible, absorbe Q1=mcp(T3-T2).

• 3-4: expansión adiabática descendiendo a T4 y p1, cediendo W turbina.

• 4-5: p=cte, los gases ceden calor atmósfera, T4 desciende hasta T1, Q2=mcp(T4-T1).

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γγη /)1(23

14 111 −−=−−

−=prTT

TT

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C– Motores de combustión interna alternativos

Motor alternativo es el que trasforma la energía térmica en mecánica mediante pistones.

El pistón se desliza dentro del cilindro con movimiento alternativo, la biela transmite el movimiento a la manivela del cigüeñal, transformándolo en rotativo.

Las válvulas de admisión y escape permiten la entrada del fluido y la salida de los gases de la combustión.

El árbol de levas acciona las válvulas en sincronismo con el cigüeñal (distribución).

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D- Funcionamiento motor alternativo

Ciclo de 4 tiempos (2 vueltas):

1. Admisión: el pistón desciende desde el PMS y entra el fluido.

2. Compresión: Se cierra la válvula admisión y se inicia el ascenso del pistón desde PMI al PMS.

3. Expansión: Antes de llegar al PMS se produce la inflamación del fluido, aumenta la p y Tª, el pistón baja y produce W.

4. Escape: Al llegar al PMI se abre la válvula, el pistón sube y los gases escapan. Se inicia otro ciclo.

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Ciclo de 2 tiempos (1vuelta):

1. Tiempo: La explosión se produce en el PMS del pistón, los gases se expanden y el pistón abre la lumbrera de escape. A medida que el pistón baja, comprime la mezcla del cárter, entra en el cilindro y termina por barrer los gases.

2. Tiempo: El pistón sube desde PMI, completando el barrido y compresión y cerrando las lumbreras. Comienza la compresión hasta llegar al PMS. A la vez se abre la lumbrera de admisión y entra fluido en el cárter.

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E- Ciclos termodinámicos (Otto y Diesel)

•0-1:Admisión.

•1-2: Compresión adiabática.

•2-3: Explosión y absorción de calor a V=cte. q2,3=qabs=mcv(T3-T2)

•3-4: Expansión adiabática del pistón.

•4-1: Escape, descenso de la Tª y brusco de p y el calor cedido es q4,1=qced=mcv(T4-T1)

•1-0: Expulsión de gases.

TcTf

TTTT

qq

qqq

qW

abs

ced

abs

cedabs

absOtto −=

−−

−=−=−

== 11123

14η 1

11 −−= γηc

Otto r

19

•0-1: Admisión.

•1-2: Compresión adiabática,alfinalizar se llega a T=6000ºC, lo que provoca la ignición del combustible.

•2-3: Absorción del calor a p=cte, debido a la combustión del combustible inyectado.

•3-4: Expansión adiabática.

•4-1: Cesión calor por los gases a v=cte.

•1-0:Expulsión de los gases.

)1(111 1 −

−−= −

v

v

cDiesel r

rr γ

ηγ

γ

20

Diferencia entre ciclo Otto y Diesel

El ciclo Diesel tiene mayor η y proporciona más Wútil, según los diagramas teóricos.

Los ciclos reales nos vienen determinados por los diagramas indicados.

Solamente se utiliza el 25% de la energía del combustible.

teorico

indicadoDiagrama W

W=η

21

F- Lubricación y refrigeración

Debido al rozamiento es muy importante lubricar:– Paredes cilindro– Articulaciones biela y cojinetes.– Árbol de levas, taqués, válvulas, balancines.– Engranajes.

La refrigeración por aire (pequeños motores) o agua, los cilindros y culata están rodeados por agua que pasa al radiador.

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G- Potencia y rendimiento

La potencia de un motor nos viene dada por:

El η engloba matices, hay que tener en cuenta:• η volumétrico: (no se llena completamente

de aire) se ha mejorado (95%) inyección gasolina.

• η térmico: Peje/Ptérmica; Gasolina (30%) y Diesel (50%).

• η mecánico: el mejor el 85-90%.

P= kW

N= vueltas/segundo

VT=volumen total o cilindrada del motor en l.

da= densidad aire kg/l.

δ=dosado.

Qc=poder calorífico combustible kJ/kg.

η= rendimiento

ηδ caT QdVNP2

=

23

H- Sobrealimentación motores comb. interna

Para aumentar la P basta con aumentar:– N (inconveniente=complicación sincronismo).– VT más cilindrada = más consumo.– Mejorar η (sist. Inyección, aumentando rv).– da sobrealimentación.Consiste en conectar el aire de admisión a mayor presión de la

atmosférica. Al entrar más cantidad de aire también podemos quemar más combustible, aumentando la P con la misma cilindrada.

Para ello se utilizan los turbocompresores, que obtienen la energía de la velocidad de los gases de escape al aplicárselos a una turbina.

24

Turbocompresor

Motor y turbocompresor

Con intercambiador de calor (Intercooler)

25

Principios funcionamiento frigorífico

A- Ciclo de Carnot:

•1-2: Compresión adiabática del gas desde Tf hasta Tc. Consume W.

•2-3: Compresión isoterma, cede calor Qc al foco caliente. (Al comprimir el gas elevamos la Tª por encima de la Tª del foco caliente).

•3-4: Expansión adiabática desde Tc a Tf.

•4-1: Expansión interna a Tf, mientras se extrae Qf del foco frío.

6.5

fc

f

fc

ff

TTT

QQQ

WQ

COP−

=−

===ε

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B- Componentes instalación frigorífica

•Compresor: aspira el vapor frío del evaporador a baja p, convierte a mayor p y Tª, (ideal sería adiabático pero real cede calor y pierde η).

•Condensador: (serpentín) cede calor al ambiente. Pasa de vapor a líquido, cambio de fase a p y Tª=cte.

•Evaporador: absorbe calor a p y Tª=cte. La mezcla de vapor y liquido se convierte en vapor saturado.

•Válvula expansión: reduce la p y Tª del líquido del condensador al evaporador.

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C- Sistema refrigeración de gas

Se emplea el aire como refrigerante (aviación).

•1-2: expansión adiabática del gas en turbina p2<p1 y produce W.

•2-3: pasa intercambiador calor a igual p, aumenta la Tª (absorbe calor=enfría).

•3-4: compresión diabática compresor de p2 a p1 y aumenta Tª.

•4-1: pasa enfriador a p=cte y se repite el ciclo.

γγε /)1(

1−==

prCOP

2

1

pprp =

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Se usan fluidos criogénicos, en c.n. son gaseosos.

•1-2: Compresión adiabática del vapor saturado de pa (evaporador) a pb(condensador).Consume W.

•2-3: Cesión calor al exterior. El vapor cambia de fase a liquido saturado (p=cte).

•3-4: La válvula de expansión hace que el liquido a pb sale mezcla (vapor húmedo) a pb, sin realizar W.

•4-1: Absorbe calor y aumenta el vapor a p y Tª= cte. Toma calor para el cambio de estado.

absced

abs

QQQCOP−

==ε

D- Sistema refrigeración vapor

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Bomba de calor

Es igual a la máquina frigorífica pero se intercambian los focos frío y caliente.

Invierno: el Qf es el exterior y Qc el interior vivienda. Consumimos W para pasar el calor del exterior al interior.

Verano: el Qf interior vivienda y Qc el exterior. Consumimos W para pasar el calor del interior al exterior.

Se intercambian los papeles del condensador y del evaporador.

Como calefacción ε>1:

6.6

WQc=ε